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Meßeinrichtung zur Erfassung der Pollage und des
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Schlupfes einer Synchronmaschine Bei rotierenden Synchronmatschinen
und bei synchronen Linearmotoren wird zur Regelung ein Meßwert für die Pollage benötigt.
Eine Anordnung zur Ermittlung der Pollage bei einer rotierenden Synchronmaschine
mit einer feldorientierten Regelung ist bekannt aus SIEMENS-Zeitschrift, 1971, Seite
765 bis 768. Diese bekannte Anordnung erzeugt im Stillstand keinen auswertbaren
Meßwert. Eine verbesserte Anordnung, die auch im Stillstand einen Meßwert liefert5
ist aus der deutschen Patentschrift 23 53 594 bekannt. Diese Anordnung ist jedoch
sehr aufwendig. Eine Meßanordnung zur Ermittlung der Pollage bei einem synchronen
Linearmotor ist aus dr deutschen Patentschrift 23 41 761 bekannt. Diese bekannte
Meßanordnung ermöglicht jedoch im Stillstand und bei kleinen Geschwindigkeiten keine
Bestimmung der Pollage. Eine weitere, aus der deutschen Patentschrift 26 10 752
bekannte Meßeinrichtung liefert zwar auch im Stillstand einen Meßwert für die Pol
lage eines synchronen Linearmotors, ,jedoch ist diese bekannte Meßeinrichtung sehr
aufwendig.
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Bei synchronen Linearmotoren besteht das Problem einer raschen und
zuverlässigen Erfassung eines unzulässigen Schlupfes. Bei einem Schlupf eines synchronen
Linearmotors in einem Trieb fahrzeug treten periodische Kräfte in Fortbewegungsrichtung
und senkrecht hierzu auf, die das Fahrzeug und die Fahrbahn unzulässig stark beanspruches.
Wenn die durch den Schlupf hervorgerufenen periodischen Kräfte in der Nähe d-er
Resonanzfrequenz einer aufgeständerten Fahrbahn liegen, so besteht bereits
bei
kleinen Amplituden eine Gefährdung des Bauwerkes, insbesondere wenn es aus Betonteilen
errichtet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und zuverlässige
Meßeinrichtung zur Erfassung der Pollage und des Schlupfes bei Synchronmaschinen
zu schaffen, die mit geringen konstruktiven Anderungen sowohl bei rotierenden Synchronmaschinen
als auch bei synchronen Linearmotoren eingesetzt werden kann. Die Meßeinrichtung
soll bereits im Stillstand einen Meßwert für die Pollage liefern.
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Erfindungsgemäß wird hierzu eine Meßeinrichtung mit folgenden Merkmalen
vorgeschlagen: a) Das Meßwerk der Meßeinrichtung ist im Streufeld zwischen Ständer
und Läufer der Synchronmaschine angeordnet, b) das Meßwerk der Meßeinrichtung ist
nach dem Prinzip einer Synchronmaschine aufgebaut und enthält einen diametral magnetisierten
Permanentmagnet-Läufer und eine Anordnung zur Erfassung von Auslenkungen und Drehbewegungen
des Permanentmagnet-Läufers, c) dem Meßwerk ist eine Auswerteeinrichtung nachgeordnet.
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Die erfindungsgemäße Meßanordnung geht davon aus, daß im normalen
Betrieb, also im Synchronlauf, eine feste Zuordnung zwischen der Stellung des Läufers
und dem Statorstrombelag besteht, der das Drehfeld bzw. Wanderfeld darstellt. Der
Streufluß zwischen Läufer und Ständer ist ein Maß für die Lage des Statorstrombelages.
Der diametral magnetisierte Permanentmagnet-Läufer zeigt wie eine Kompaßnadel die
Pollage an. Die Stellung des Permanentmagnet-Läufers wird erfaßt und in ein entsprechendes
Meßsignal für die Pollage umgesetzt.
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Kommt es durch einen Fehler oder einen Defekt in der Regeleinrichtung
oder durch andere unvorhersehbare Einflüsse zu einem Schlupf zwischen dem Läufer
und dem Drehfeld bzw. Wanderfeld, so wird der Permanentmagnet-Läufer in Drehung
versetzt. Dies ermöglicht eine rasche und zuverlässige Anzeige eines unzulässigen
Schlupfes.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht eine Anordnung
zur Streuflußführung mit einer Anzahl von Polschuhen vor, die in einer Reihe im
Luftspalt der Synchronmaschine angeordnet und dem Ständer zugewandt sind.
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Diese Weiterbildung der Erfindung ermöglicht einen besonders robusten
Aufbau der Meßeinrichtung und liefert auch bereits bei kleinen Streufeldern einen
zuverlässigen Meßwert für die Pollage.
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Zur Verbesserung der Synchronisierung kann eine als Kurzschlußwicklung
ausgebildete Dämpferwicklung vorgesehen sein. Diese liefert ein asynchrones Drehmoment
zusätzlich zum synchronen Drehmoment des Permanentmagnetläufers.
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Eine Variante der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung sieht bei einem
reibungsarm gelagerten Permanentmagnet-Läufer mit hinreichend kleinem Massenträgheitsmoment
keine Anordnung zur Streuflußführung vor. Diese Variante kann daher hinreichend
klein ausgeführt und in kleinen Luftspalten angeordnet werden.
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Als Anordnung zur Erfassung der Auslenkung und Drehbewegung des Permanentmagnet-Läufers
ist vorteilhaft eine auf der Läuferachse befestigte Scheibe mit Markierungen oder
ein Zeiger und eine berührungslose Abtastein-
richtung vorgesehen,
insbesondere eine Gabellichtschranke oder eine Reflexionslichtschranke. Durch eine
berührungslose Abtasteinrichtung werden Rückwirkungen auf das empfindliche Meßwerk
vermieden.
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Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ist zur Erfassung der Pollage
und des Schlupfes einer rotierenden Synchronmaschine geeignet. Hierbei wird der
Permanentmagnet-Läufer auf dem Läufer der Synchronmaschine angeordnet.
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Sofern eine Anordnung zur Streuflußführung mit Polschuhen vorgesehen.
ist, werden diese in einer Reihe auf einem Kreisbogen im Luftspalt der Maschine
angeordnet.
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über Die Signale der Abtasteinrichtung können/ Schleifringe oder
über bekannte. berührungslose Übertragungseinrichtungen zur Regeleinrichtung übertragen
werden.
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Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ist auch geeignet zur Erfassung
der Pollage und des Schlupfes eines synchronen Linearmotors, insbesondere eines
Langstatormotors, dessen Erreger als Translator ausgebildet ist und dessen langgestreckter
Stator mit einer Wanderfeldwicklung belegt ist, die von einem ortsfesten steuerbaren
Umrichter nach Maßgabe einer Steuer- und Regeleinrichtung mit veränderbarer Spannung
und Frequenz gespeist wird. Die erfindungsgemaße Meßeinrichtung wird im Streufeld
zwischen dem Erregter und dem Stator angeordnet und ihre Signale werden zur Steuer-
und Regeleinrichtung übertragen. Es ist auch möglich, zur Ermittlung der Pollage
bei einem synchronen Linearmotor eine aus der deutschen Patentschrift 26 10 752
bekannte Meßeinrichtung vorzusehen und die erfindungsgemäße Meßeinrichtung als Sicherheitseinrichtung
zur Erfassung eines unzulässigen Schlupfes zu verwenden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher heschriehen.
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r,s zeigen FIG 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung bei einer rotierenden Synchronmaschine, FIG 2 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung bei einem synchronen Linearmotor, FIG 3 einen
Längsschnitt durch das Meßwerk einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung mit einer
Anordnung zur Streuflußführung, FIG 4 einen Querschnitt durch das Meßwerk der FIG
3.
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FIG 1 zeigt schematisch einen teilweisen Schnitt durch eine als Innenpolmaschine
ausgeführte Synchronmaschine.
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Die Synchronmaschine besteht aus einem umlaufenden, massiven oder
geblechten Läufer 12, der eine gleichstromgespeiste induzierende Erregerwicklung
trägt, und aus dem stillstehenden, geblechten Ständer 14, in dem eine ein- oder
mehrphasige induzierte Ankerwicklung eingebettet ist. Die betriebsmäßige Drehzahl
der Synchronmaschine wird durch die Frequenz der Speisespannung für die Ankerwicklung
und durch die Polzahl bestimmt und ist unabhängig von der Belastung. Zur Veränderung
der Drehzahl wird die Ankerwicklung von einem Umrichter 4 nach Maßgabe einer Steuer-
und Regeleinrichtung 5 mit verSnderbarer Spannung und Frequenz gespeist. Die Pollage
kann sich zwischen +900el beim Besch3eunigen und -900el beim Bremsen verändern.
Zur Erfassung derPollage ist in einer Aussparung'des Läufers 12 das Meßwerk einer
erfindungsgemäßen Meßeinrichtung angeordnet. Um eine
zeichnerische
Darstellung zu ermöglichen, ist das Meßwerk stark vergrößert gezeichnet. Das Meßwerk
enthält einen diametral magnetisierten Permanentmagnet-Läufer 6 mit kleinem Massenträgheitsmoment,
der reibungsarm gelagert ist, beispielsweise in einer Spitzenlagerung.Der Permanentmagnet-Läufer
6 ist mit einer mit Markierungen versehenen Scheibe 9 verbunden, deren Stellung
von einer berührungslosen Abtastei.nri.chtung/abgetastet wird, die später im einzelnen
beschrieben wird. Während des Synchronlaufes besteht eine feste Zuordnung zwischen
Stellung des Läufers und dem Statorstrombelag. Der Läufer dreht sich mit der gleichen
Winkelgeschwindigkeit wie das Drehfeld. Zwischen Läufer und Drehfeld besteht lediglich
eine Phasenverschiebung von +900el je nach Betriebszustand, jedoch keine Relativbewegung.
Da der Streufluß zwischen Läufer 12 und Ständer 14 ein Maß für die Lage des Statorstrombelages
ist und sich der im Streufeld angeordnete Permanentmagnet-Läufer 6 wie eine Kompaßnadel
sehr empfindlich in Richtung des Streufeldes einstellt, ist die Winkellage des Permanentmagnet-Läufers
6 in Bezug auf ein mit dem Läufer rotierendes Koordinatensystem ein Maß für die
jeweilige Pollage. Bei einem Schlupf zwischen Läufer und Drehfeld beginnt der Permanentmagnet-Läufer
6 zu rotieren. Dies wird von der Auswerteeinrichtung erfaßt und in ein entsprechendes
Schlupfsignal umgesetzt.
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FIG 2 zeigt ein Trieb fahrzeug, das mit einem synchronen Linearmotor
ausgestattet ist. Im Trieb fahrzeug ist der Erreger 1 angeordnet. Der langgestreckte
Stator 2 enthält ein Ständerblechpaket mit Nuten, in die eine dreiphasige Wanderfeldwicklung
3 eingelegt ist. Zur einfacheren Darstellung ist nur eine Phase der Wanderfeldwicklung
3 schematisch dargestellt. Die Wanderfeldwicklung 3 wird von einem Umrichter 4 mit
veränderbarer Spannung und
Frequenz gespeist. Der Umrichter 4 kann
in bekannter Weise aus einem von einem Drehstromnetz gespeisten Gleichrichter, einem
Gleichstrom- oder Gleichspannungszwischenkreis und einem dreiphasigen Wechselrichte
bestehen. Der Umrichter 4 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 5 getaktet.
Im Streufeld zwischen dem Stator 2 und dem Erreger 1 ist das Meßwerk 15 einer erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung angeordnet. Die Signale des Meßwerkes werden in einer Auswerteeinrichtung
10 ausgewertet und über eine im Trieb fahrzeug angeordnete Sendeeinrichtung 16 an
eine Empfangseinrichtung 17 gesendet, die auf die Steuer- und Regeleinrichtung 5
einwirkt. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ist sowohl zur Erfassung der Pollage
und des Schlupfes bei einem eisenlosen synchronen Linearmotor, als auch bei einem
eisenbehafteten synchronen Linearmotor geeignet5 wie er in FIG 2 dargestellt ist.
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FIG 3 zeigt im Detail einen Längsschnitt durch das Meßwerk der erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung. In den Nuten des Statorblechpakets sind die Leiter der dreiphasigen
Wanderfeldwicklung mit den Buchstaben RST bezeichnet, wobei die Stromrichtung durch
ein Vorzeichen erläutert wird. Es wird angenommen, daß sich augenblicklich an den
mit (N) bezeichneten Stellen magnetische Nordpole und an den mit (S) bezeichneten
Stellen magnetische Südpole befinden.
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Das Meßwerk der Meßeinrichtung ist im Streufeld zwischen Stator und
Erreger angeordnet und nach dem Prinzip einer Synchronmaschine aufgebaut. Das Meßwerk
enthält wiederum einen diametral magnetisierten Permanentmagnet-LäuSer 6 und eine
Anordnung 18 zur Erfassung von Auslenkungen und Drehbewegungen des Permanentmagnet-Läufers
6. Dem Meßwerk ist eine Auswerteeinrichtung 10 nachgeordnet.
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Zur Streuflußführung ist eine Anordnung 7 mit einer Anzahl von Polschuhen
8 vorgesehen, die in einer Reihe im Luftspalt des synchronen Linearmotors angeordnet
und dem Ständer zugewandt sind und deren Abstand a jeweils einer halben Polteilung
oder einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Polteilung entspricht, wenn - wie
dargestellt - eine Streuflußführung 7 mit vier Polschuhen gewählt ist. Bei einer
Streuflußführung mit drei Polschuhen würde der Abstand zweier Polschuhe zweckmäßig
2 3tp betragen. Ferner ist eine als Kurzschlußwicklung ausgebildete Dämpferwicklung
17 vorgesehen, die ein asynchrones Drehmoment aufbringt und hierdurch den Anlauf
des Permanentmagnet-Läufers 6 bei einem plötzlich auftretenden Schlupf verbessert.
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Bei der angenommenen augenblicklichen magnetischen Polarisierung des
Stators 2 bilden sich in der Streuflußführungsanordnung 7 magnetische Nordpole (N)
und Südpole (S) an den bezeichneten Stellen aus. Im Synchronbetrieb ohne Schlupf
wandert der Statorstrombelag und damit der Streufluß mit der gleichen Geschwindigkeit
wie das Meßwerk der Meßeinrichtung und der Erreger. Der Permanentmagnet-Läufer 6
stellt sich in Richtung des Streuflusses ein und zeigt dadurch die Pollage an. Bei
einem Schlupf des synchronep Linearmotors wandert das vom Statorstrombelag erregte
magnetische Streufeld relativ zum Meßwerk. Durch die Streuflußführung 7 mit den
Polschuhen 8 entsteht im Bereich des Permanentmagnet-Läufers 6 ein umlaufendes magnetisches
Drehfeld, das den Permanentmagnet-Läufer 6 in eine Drehbewegung versetzt. Bei einem
plötzlich auftretenden Schlupf verbessert die Dämpferwicklung 17 den schnellen Anlauf
des Permanentmagnet-Läufers.
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FIG 4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch das Meßwerk. Die
Scheibe 9 ist mit Ausnehmungen in Form eines Codes versehen. Mehrere Gabellichtschranken
tasten die Ausnehmungen auf verschiedenen Durchmesserkreisen ab.
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Geeignete rotatorisch arbeitende Wegmeßsysteme sind beschrieben in
Wilhelm Simon "Die numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen",1970, Seite 56 bis
60. Die Signale der Fototransistoren in den Gabellichtschranken werden der Auswerteeinrichtung
10 zugeführt, die hieraus die Stellung des Permanentmagnet-Läufers 6 und damit die
Pollage ermittelt. Für eine Schlupfüberwachung kann die Auswerteeinrichtung eine
Grenzwertschaltung enthalten, mit der Signale unterdrückt werden, die durch betriebsmäßig
bedingte Polstellungsänderungen zwischen +90 0el und 900ei hervorgerufen werden.
Eine Drehbewiegung des Permanentmagnet-Läufers 6 über diese Grenzen hinaus wird
als Schlupf erkannt. Beim Auftreten eines Schlupfes wird der Umrichter 4 vorzugsweise
sofort stillgesetzt.
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4 Figuren 7 Patentansprüche r
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